第二章核酸化学

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1、第二章第二章 核酸化学核酸化学概概 述述F 1868年，年，F.Miescher从细胞核中分离得到一种从细胞核中分离得到一种酸性物质，被称为核酸（酸性物质，被称为核酸（nucleic acid）。）。F Mendel关于基因（关于基因（gene）的研究。）的研究。F 1944年，年，Avery等完成了著名的肺炎球菌转化实等完成了著名的肺炎球菌转化实验，证明遗传物质的基础是核酸。验，证明遗传物质的基础是核酸。F 1953年，年，Watson和和Click提出提出DNA双螺旋模型。双螺旋模型。1.脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid ,DNA）原核原核:裸露的裸露的

2、DNA分子集中于核区分子集中于核区真核真核:细胞核细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体：与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器细胞器DNA：双链环形，一般裸露：双链环形，一般裸露核酸的种类和分布核酸的种类和分布2.核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic acid,RNA)包括：包括：tRNA、rRNA、mRNA 主要存在于细胞质中，少量在细胞核中。主要存在于细胞质中，少量在细胞核中。核酸的功能核酸的功能F 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）:基因遗传物质的载体，基因遗传物质的载体，是生物的主要遗传物质。是生物的主要遗传物质。F 核糖核酸（核糖核酸（RNA）:参与遗传信息的传递和表参与

3、遗传信息的传递和表达过程，在蛋白质的生物合成中起重要作用。达过程，在蛋白质的生物合成中起重要作用。第一节第一节 核苷酸核苷酸核酸（核酸（DNA和和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是的基本结构单元是核苷酸核苷酸。核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖(核糖、脱氧核糖核糖、脱氧核糖)碱基（嘌呤、嘧啶）碱基（嘌呤、嘧啶）核核 酸酸（nucleic acid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoric acid)核苷(nucleoside)戊糖(pentose)碱基(base)碱碱 基基 FF 主要包括主要包括嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱。嘌呤碱：嘌

4、呤碱：腺嘌呤（腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（）、鸟嘌呤（G）嘧啶碱：嘧啶碱：胞嘧啶（胞嘧啶（C）、尿嘧啶（）、尿嘧啶（U）、）、胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）RNA中主要含中主要含：A、G、C、U 四种碱基四种碱基DNA中主要含中主要含：A、G、C、T 四种碱基四种碱基 戊戊 糖糖 FF 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为-D-2-脱氧核糖脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖142 核核 苷苷 胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOH

5、H2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH21911FF 由一个碱基和一个戊糖结合形成，共由一个碱基和一个戊糖结合形成，共8 8种。种。糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-N键，称为键，称为C-N糖苷键。糖苷键。核苷酸核苷酸 FF 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或或RNA结构结构单元的核苷酸分别是单元的核苷酸分别是5-磷酸磷酸-脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷和和5-磷酸磷酸-核糖核苷核糖核苷。OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH

6、2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸核核 苷苷核苷酸核苷酸Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose(in DNA)HOCH2HOOHRibose(in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG脱氧腺嘌呤核苷脱氧腺嘌呤核苷酸（酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷脱氧鸟嘌呤核苷酸（酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷脱氧胞嘧啶核苷酸（酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核脱氧胸腺嘧啶核苷酸（苷酸（dTMP）鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（U

7、MP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）将核酸完全水解后可得到哪些组分将核酸完全水解后可得到哪些组分?DNA?DNA和和RNARNA的水解产物有何不同？的水解产物有何不同？磷酸磷酸 戊糖戊糖 碱基碱基DNA 磷酸磷酸脱氧核糖脱氧核糖AGCTRNA 磷酸磷酸核糖核糖AGCU ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：衍生物。它的结构如下：(1)ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ATP 分子的最显分子的最显著特点

8、是含有两著特点是含有两个高能磷酸键。个高能磷酸键。ATP水解时水解时,可可以释放出大量自以释放出大量自由能。由能。核苷酸的衍生物核苷酸的衍生物腺苷酸及其多磷酸化合物腺苷酸及其多磷酸化合物FF 环核苷酸普遍存在于动植物及微生物中。环核苷酸普遍存在于动植物及微生物中。（2）cAMP（环腺苷酸）和（环腺苷酸）和 cGMP这两种环核苷酸在细胞代谢调节中具有重要作用，是传这两种环核苷酸在细胞代谢调节中具有重要作用，是传递激素作用的媒介物递激素作用的媒介物,称为二级信使。称为二级信使。NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸FAD：黄素

9、腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸（3）辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸一、一、DNA的一级结构的一级结构F 是指脱氧核苷酸是指脱氧核苷酸之间的之间的连接方式连接方式和和排排列顺序列顺序。1.连接方式：连接方式：3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键第二节第二节 DNA的分子结构的分子结构5 3 在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：PAPCPTPG 或或 PACTG -ACTG-可以表示为可以表示为各种简化的读向都是从左到右，左侧为各种简化的读向都是从左到右，左侧为5，右侧为，右侧为3。5

10、 3 p p p pOH3 ACTG1 2.排列顺序排列顺序F 真正代表真正代表DNA生物学意义的是碱基的排列顺生物学意义的是碱基的排列顺序，序，顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。F 生物界的多样性即寓于生物界的多样性即寓于DNA分子中的分子中的4种脱氧种脱氧核苷酸的千变万化的不同排列组合之中。核苷酸的千变万化的不同排列组合之中。二、二、DNA的二级结构的二级结构Chargaff 定律：定律：1.碱基当量定律碱基当量定律：几乎所有生物：几乎所有生物 AT，GC；AGTC。2.不对称比率不对称比率：不同物种中不同物种中 A/G、T/C比值差比值差别较大；（别

11、较大；（AT）/(GC)比值因物种而异。比值因物种而异。DNA的的Na盐纤维和盐纤维和DNA晶体的晶体的X光衍射分析光衍射分析FranklinF 1953年，年，J.Watson和和F.Crick 在前人研究工作在前人研究工作的基础上，根据的基础上，根据DNA结结晶的晶的X-衍射图谱和分子衍射图谱和分子模型，提出了著名的模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预作出了科学的解释和预测。测。1.DNA分子由两条分子由两条反向反向平行平行的多聚脱氧核苷酸的多聚脱氧核苷酸链组成。一条链的走向链组成。一条链的走向为为53，而另一条

12、链，而另一条链的走向向为的走向向为35。两。两条链沿一个假想的中心条链沿一个假想的中心轴轴右旋右旋平行盘绕，形成平行盘绕，形成大沟与小沟。大沟与小沟。DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点:2.磷酸和脱氧核糖作磷酸和脱氧核糖作为不变的链骨架位为不变的链骨架位于外侧，作为可变于外侧，作为可变成分的碱基位于螺成分的碱基位于螺旋的内侧。链间的旋的内侧。链间的碱基按碱基按AT和和G C配对配对形成碱基平面，形成碱基平面，平面与纵轴近于垂平面与纵轴近于垂直。直。3.螺旋横截面的直径约螺旋横截面的直径约为为2nm，相邻碱基平，相邻碱基平面的垂直距离为面的垂直距离为0.34nm，螺旋结构每，螺旋结构每隔隔1

13、0个碱基重复一次，个碱基重复一次，间距为间距为3.4nm。4.DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的，稳双螺旋结构在生理条件下是很稳定的，稳定力量主要有两个：定力量主要有两个：碱基堆积力碱基堆积力（base stacking force）氢键氢键（hydrogen bond）DNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性 类类 型型 螺距螺距（nm）每匝碱基数每匝碱基数螺旋方向螺旋方向B-DNA（DNA-Na盐，盐，92相对湿度）相对湿度）3.410右右A-DNA（DNA-Na盐，盐，75相对湿度）相对湿度）2.811右右C-DNA（DNA-Li盐，盐，75相对湿度）相对湿度）3.19.3右右Z-

14、DNA4.512左左回文序列回文序列（palindromic sequence）：指）：指DNA序列序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列正读和反读都相同的双螺旋结构。正读和反读都相同的双螺旋结构。其它类型的其它类型的DNA螺旋结构螺旋结构发夹结构发夹结构十字形结构十字形结构镜像重复镜像重复（mirror repeat）：）：DNA序列反向重复，序列反向重复，且存在于同一条链上。且存在于同一条链上。当当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（可以形成三股螺旋（hinged DNA,H-DN

15、A)Hoogsteen配对配对三、三、DNA的三级结构的三级结构F 超螺旋超螺旋（superhelix）是）是DNA三级结构中最三级结构中最常见的形式。常见的形式。正超螺旋正超螺旋：3.4nm间距内碱基对数多于间距内碱基对数多于10个。个。负超螺旋负超螺旋：3.4nm间距内碱基对数少于间距内碱基对数少于10个。个。OHOHOH5 3 F RNA是是DNA的局部转录产的局部转录产物，分子量要比物，分子量要比DNA小得多。小得多。F RNA为单链分子，以为单链分子，以3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连。相连。F 配对原则是配对原则是AU，G C，但不遵守碱基当量定律。但不遵守碱基当量定律。第二节第二

16、节 RNA的分子结构的分子结构概概 述述F 根据根据RNA的功能，可以分为的功能，可以分为mRNA（message RNA）、）、tRNA（transfer RNA）和）和rRNA（ribosomal RNA）三种。）三种。类别类别螺旋比例螺旋比例占总占总RNA的的 功功 能能mRNA很小很小 约约35编码氨基酸编码氨基酸tRNA50左右左右 15转运氨基酸转运氨基酸rRNA40左右左右 80构成蛋白质合成场所构成蛋白质合成场所（核糖体）（核糖体）一、一、tRNA的分子结构的分子结构F 一级结构一级结构 单链核酸，通常由单链核酸，通常由7388个核苷酸组成。个核苷酸组成。含较多稀有核苷酸，如：

17、含较多稀有核苷酸，如：DHU、等。等。3-末端都具有末端都具有CCA-OH的结构。的结构。F 二级结构二级结构 三叶草形三叶草形结构，由四臂四环组成。结构，由四臂四环组成。氨基酸臂氨基酸臂 D臂（二氢尿嘧啶臂）臂（二氢尿嘧啶臂）D环环T C臂臂 T C环环额外环额外环 AC臂（反密码臂）臂（反密码臂）AC环环F 三级结构三级结构 倒倒L型型F 原核生物原核生物rRNA有有3类：类：5S、16S、23S 真核生物真核生物rRNA有有4类：类：5S、5.8S、18S、28S二、二、rRNA的分子结构的分子结构F 许多许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的的一级结构及由一级结构推导出来的二级结

18、构都已阐明，但是对许多二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今的功能迄今仍不十分清楚。仍不十分清楚。F 已有一些已有一些rRNA具有酶的活性，称为具有酶的活性，称为核酶核酶（ribozyme）。F 顺反子顺反子（cistron）：一个基因就是一个顺反子。）：一个基因就是一个顺反子。原核生物原核生物的的mRNA一般是一般是多多顺反子。顺反子。真核生物真核生物的的mRNA一般是一般是单单顺反子。顺反子。三、三、mRNA的分子结构的分子结构原核生物原核生物mRNA结构特点结构特点先导区先导区：SD序列。富含序列。富含嘌呤碱基嘌呤碱基，可与，可与16s rRNA的的3末端末端富含嘧啶碱基的序列互

19、补，这与富含嘧啶碱基的序列互补，这与mRNA对核糖体的对核糖体的快速识别快速识别有关。有关。v5-末端末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽子结构帽子结构”v3-末端末端有一段长达有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为称为“尾结构尾结构”。真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点帽子结构帽子结构第五节第五节 核酸的性质核酸的性质F 核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基），也含有碱性基核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基），也含有碱性基团（氨基），因而核酸具有团（氨基），因而核酸具有两性性质两性性质。F 核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，

20、而氨基是一个核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而氨基是一个弱碱，所以核酸的弱碱，所以核酸的等电点比较低等电点比较低。如。如DNA的等电点为的等电点为44.5，RNA的等电点为的等电点为22.5。F 在生理在生理pH或中性缓冲液中，核酸带负电，可在电场中向或中性缓冲液中，核酸带负电，可在电场中向阳极移动。阳极移动。1.核酸的两性性质及等电点核酸的两性性质及等电点等电点等电点 pIF 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双共轭双键键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱。一般体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱。一般在在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸定

21、性左右有最大吸收峰，可以作为核酸定性和定量测定的依据。和定量测定的依据。2.核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收2202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm）光光吸吸收收123减色效应减色效应:双螺旋结双螺旋结构的形成和构的形成和3，5-磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成都会减弱碱基对紫都会减弱碱基对紫外光的吸收。外光的吸收。增色效应增色效应：核酸变：核酸变性后对紫外光的吸性后对紫外光的吸收增加。收增加。1 天然天然DNA 2 变性变性DNA 3 游离核苷酸游离核苷酸F 核酸的变性（核酸的变性（denaturation）是指核酸分子中氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则是指核酸分子中

22、氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则卷曲的过程。卷曲的过程。F 核酸的复性（核酸的复性（renaturation）是指变性是指变性DNA的两条单链的碱基可以重新配对，恢复的两条单链的碱基可以重新配对，恢复双螺旋结构。双螺旋结构。3.核酸的变性、复性和分子杂交核酸的变性、复性和分子杂交DNA变性变性改变了改变了DNA的二级结构，并不破坏一级结构。的二级结构，并不破坏一级结构。DNA复性复性变性变性DNA缓慢冷却，恢复双螺旋结构，称缓慢冷却，恢复双螺旋结构，称退火退火(annealing)变性变性DNA迅速冷却，双链继续保持分开，称迅速冷却，双链继续保持分开，称淬火淬火(quenching)F 能够引

23、起核酸变性的因素很多。能够引起核酸变性的因素很多。温度升高温度升高、酸碱度改、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。Tm值（值（melting temperature）：熔解温度，指熔解温度，指消光值消光值A260达到达到最大值一半时最大值一半时的温度。的温度。影响影响Tm的因素主要有：的因素主要有：1.DNA的性质与组成的性质与组成 DNA的均一性：的均一性：均一均一DNA，Tm值范围小值范围小 G-C含量：含量：G-C含量高，含量高，Tm值越大值越大 2.溶液的性质溶液的性质 溶液离子强度高，溶液离子强度高，Tm高高。所以所以DNA制品

24、应保持制品应保持比较高浓度的缓冲液中。比较高浓度的缓冲液中。v 把不同的把不同的DNA链放在同一溶液中做变性处链放在同一溶液中做变性处理，或把单链理，或把单链DNA和和RNA放在一起，只要有放在一起，只要有些区域有碱基配对的可能，它们之间就可能些区域有碱基配对的可能，它们之间就可能形成局部的双链。形成局部的双链。分子杂交（分子杂交（molecular hybridization）核核酸酸的的杂杂交交1、某、某DNA样品含腺嘌呤样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量。含量。2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。双

25、螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。3、tRNA的结构有何特点？有何功能？的结构有何特点？有何功能？4、真核生物与原核生物、真核生物与原核生物mRNA结构各有何特点？结构各有何特点？5、DNA和和RNA的结构有何异同？的结构有何异同？6、T7噬菌体噬菌体DNA，其双螺旋链的相对分子质量为，其双螺旋链的相对分子质量为2.5107。计算。计算DNA链链的长度（设一对核苷酸的平均相对分子质量为的长度（设一对核苷酸的平均相对分子质量为650）核酸变性和复性核酸变性和复性、分子杂交、分子杂交、增色效应和减色效应、增色效应和减色效应、回文结构、回文结构、Tm值值 cAMP、Chargaff定律定律名词解释名词解释简答题简答题